模具設計在復合材料框架式成型的分析

袁玉蘋

（中山市技師學院，廣東 中山 528403）

模具設計在復合材料框架式成型的分析

袁玉蘋

（中山市技師學院，廣東 中山 528403）

大型復合材料零件在成型的過程中需要使用到大型框架式模具，這就需要在設計時先用模型建模。在本文中分析了實際應用中模具的應力和變形等問題，同時還對設計中的其他問題進行了分析，這樣可以確保模具設計的高效性和精準性，讓模具結構能更加符合復合材料零件成型的需求。

模具設計；框架式成型；復合材料

復合材料具有較好的優越性，一直被應用于航空領域中，由于飛機零件需要較高的精確度，同時它們的尺寸較大，一般會使用復合材料對其進行固化成型。在復合材料的成型過程中，復合材料構件會直接與模具的型面相接觸，一旦模具發生變形，構件的尺寸和形狀等就會受到影響。模具的尺寸若是較大，那么在其固化的過程中復合材料的固化質量和表面溫度會受到模具型面不均勻的溫度場的影響。當前在一些大尺寸的模具成型過程中一般會選擇使用框架式結構，這種結構有著均勻的厚度，同時通風效果較好，能快速升降溫，這些模具中的各個點可以均勻受熱，模具中的各個部位就不會因為升降溫而發生變形。在當前設計框架式模具的過程中，在設計多個支撐框架時，不僅需要經過重復且繁瑣的操作，同時操作也較為費時費力，設計模型需要豐富的經驗，但是模具使用起來較為費勁，同時也不利于校核模型的溫度情況和變形情況，在設計模具的過程中就缺乏精準度同時也缺乏效率。為了及時改善該情況，就需要將模具設計和更改的效率提高，同時在設計的過程中需要進行周全的考慮，將復合材料在制件過程中的固化變形問題解決掉。在設計該種框架式的模具時，應建立起一種能進行快速更改和建模的方式，并通過有限元分析模型，對模型根據分析的結果進行優化和調整，這樣可以更好地對模具的尺寸和回彈情況進行設計補償，以便得出最精確的模具結構設計結果。

1 建模的快速化方法

如果是框架式的模具成型，它的結構主要包括底板、型面板和吊環等部分。

在設計模具的過程中，需要對支撐隔板的數量、厚度、通風口的定位尺寸等參數進行調整。當前，在設計模型模具的過程中一般會使用CATIA軟件的方式來進行，在建模時需要首先進行產品型面的提取、接合等操作，這樣就形成了模具的型面板；然后再進行隔板和隔板上的通風孔的制作，它需要通過平面化的編制和繪制草圖及凸臺等操作才能形成，隔板和隔板上的通風孔是和型面板相連接的。隔板具有較多的數量，需要重復性地進行隔板的繪制工作，所需工作量很大，會花費設計者很多的時間和精力。但是，通過“產品智能模板”—“創建超級副本”操作就可以將在建模過程中將的繪制草圖、凸臺等命令集中到一個命令中進行集體的封裝。該命令集合在執行時只需要通過操作“從選擇實例化”就可以了。這樣可以將很多重復性的操作避免掉，在隔板的繪制和通風孔等操作中就可以節省掉很多時間。使用其中的“知識工程”—“公式”命令就可以對參數進行調整同時還可以對其進行賦值了。在后期只需要對參數的賦值進行變更即可實現參數值的變化，同時變量間的關系也可以通過公式的定義來實現，使得變量能夠基于另一個變量的變化而變化，這樣可以使得參數的變量化得以實現。采用這樣的建模方式，可以實現對縱向隔板數量和型面板厚度等參數進行變量化的快速設計。此時，如果合理的更改參數的數值，將視圖刷新后，稍微改動一些模型就能達到設計的更改要求了。

采用這種方式可以將對框架式模具的建模時間縮短，同時可以更加快捷地進行模型的更改和設計，不僅能提高了更改和設計模具的效率，同時也為有限元模型的分析和設計優化奠定了基礎。

表1 不同參數值的模型圖

2 有限元模型分析

在進行復合材料的框架式模具設計時，一般需要根據經驗來校核模具結構的強度，在制定通風口尺寸和隔板的間距時，會進行保守設計，比如將隔板間距縮小或是將隔板厚度增大等，采用這樣的方法雖然可以對模具的性能進行改善，但是因為在制造模具的過程中其周期較長同時模具的成本較高，會對設備的使用情況造成影響。需要首先采用有限元分析法對模具的變形情況和應力情況進行校核，這樣可以很好地確定設計模具的可行性，同時還可對模具設計的參數等在變形和應力的情況下進行調整，使得模具能在性能得到滿足的情況下將重量減輕，使得運輸和成本等得到降低，此外，還可以有效將制造周期縮短。特別是對一些梁類復材零件和蒙皮等來說，它們的尺寸相對較大，所以在模具中其主體部分的框架式支撐結構，需要花費大量的成本和材料等，這部分費用也會被計算在內，需要采用有限元分析的方法將支撐板的結構及尺寸等情況進行合理選擇，這樣可以在模具經濟成本降低的基礎上確保好復材制件的成型質量。另外，復材零件的固化質量和表面溫度也會受到模具型面溫度的影響，導致零件出現固結，模具自身也會因為存在的溫度梯度而出現變形，這就需要掌握好模擬模具固化中的溫度變化情況，可以更好地調整模具設計的可行性，并通過調整參數來將溫度場調整均勻。

表1中1號和2號模型，分別采用CITIA對它們進行各種工況情況下的分析，使用的模具材料是Q235，不同的邊界條件在不同工況時如下表2所示，兩個模型的最大應力值和最大變形值，如表3所示。

比較1號模型和2號模型發現，2號模型的型面板要比1號模型的型面板厚度大2mm，支撐板的厚度要大2mm，同時重量大了179kg。從上表3中可以看出，1號模型的應力和變形情況在工況相同的時候都要大于2號模型，在4種工況下1號模型和2號模型的最大應力都要小于Q235的屈服應力，其形變是彈性形變，對于1號模型和2號模型來說，它們都能符合設計的要求，但是如果選擇的是1號模型，它能更好地將模具的重量減輕，材料成本也能由此得到節省。在分析模具的變形和溫度分布情況時，采用CATIA將一個普通鋼框架式模具模型和熱壓罐模型建立起來，同時將熱壓罐內的區域劃分為不同的網格。將瞬態求解設置在Fluent中，同時將能量方程開啟出來，這樣可以便于湍流模型的設置，假定熱壓罐的外壁是絕熱壁，同時將內壁設置成耦合壁面，根據其溫度邊界條件將時間函數定義好。

然后將模具型面上一些關鍵時刻點的溫度云圖提取出來，這個時候可以看出，如果溫度升高，那么迎風面的溫度也就升高，工裝中部就會有著較低的溫度，這樣就會逐漸增大溫差；如果溫度不再升高，其上的溫度差是14.6℃；如果在保溫時將其降低至0℃；如果是處于溫度降低階段對于迎風面來說它 的溫度不高，這樣在整個工裝中部就有著較高的溫度。模具型面在整個固化過程中其上的溫度都處于均勻分布的狀態。對于復材來說，它的制件一般會在保溫的后期發生固化反應，所以工裝型面經過了足夠的保溫時間，其溫度場分布均勻。在對模具的熱變形進行分析和計算的過程中，求解時可以按照均勻溫度場來進行。如果工裝模型的熱變形采用的是ABAQS法進行計算，所用的材料是Q235，其初始溫度設定是20℃，其最終溫度是180℃，將位移約束添加在模具的四個腳輪處，將模具的變形量在該溫度場下求解出來。對于模具的熱變形云圖，會在模具的四個邊角處會出現最大變形，其中最大的變形量達到了3.3mm。對于一些尺寸較大的鋼材料模具來說，如果要進行高溫固化，它的變形量是很大的。

表2 不同工況下分析的邊界條件

表3 不同工況下的有限元分析結果

3 結語

為了提高模具設計的效率和精準度，需要先將制件過程中的固化問題解決，在設計這種框架式的模具時，先將其快速更改模式和建模方式建立起來。在本文中，通過有限元模型分析法進行數值的模擬檢驗，根據模型分析出的結果進行了調整和優化，便于以后對模具的回彈和尺寸等進行設計補償，確定最終能得到最精確的模具設計結果。

[1]岳廣全，張博明，杜善義等. 模具度熱固性樹脂基復合材料固化變形的影響[J].玻璃鋼/復合結構．2010,(5):62-65.

[2]晏冬秀，劉衛平，黃鋼華等. 復合材料熱壓罐成型模具設計研究[J].航空制造技術，2012,(7):49-52.

[3]楊博，李宏，曹正華. 殷鋼在復合材料成形模具中的應用[J].玻璃鋼/復合材料，2010,(6):68-69.

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1671-0711（2017）04（下）-0085-02